H13 स्टील उच्च कठोरता, उत्कृष्ट घिसाव और ताप प्रतिरोध प्रदर्शित करता है, साथ ही 600°C से नीचे के तापमान पर भी अपेक्षाकृत उच्च कठोरता और मजबूती बनाए रखता है। इसमें बेहतर शीत और तापीय थकान प्रतिरोध और अच्छी टेम्पर स्थिरता भी होती है। एल्युमीनियम, तांबा और उनके मिश्र धातुओं के लिए डाई कास्टिंग मोल्ड में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, जिससे महत्वपूर्ण आर्थिक लाभ प्राप्त होते हैं। हालांकि, कंपनी द्वारा परीक्षण उत्पादन के दौरान निर्मित H13 मॉड्यूल में सतह पर दरारें, अपूर्ण गोलाकार संरचना और असमान सूक्ष्म संरचना देखी गई। यह शोध पत्र मॉड्यूल की गुणवत्ता में सुधार और एकसमान सूक्ष्म संरचना प्राप्त करने के लिए उच्च तापमान पर सामान्यीकरण और उसके बाद गोलाकार संरचना को मजबूत करने वाली एनीलिंग प्रक्रिया का परिचय देता है।

1. प्रोटोटाइप विकास प्रक्रिया के दौरान कुछ समस्याएं पाई गईं।

प्रायोगिक मॉड्यूल को H13 स्टील से 400 मिमी × 1000 मिमी × 3000 मिमी आयामों में निर्मित किया गया था, और अंतिम फोर्जिंग तापमान लगभग 950°C था। फोर्जिंग के बाद समय पर ऊष्मा उपचार न होने के कारण, कमरे के तापमान तक वायु शीतलन के बाद सतह पर दरारें पड़ गईं, जो मॉड्यूल के आंतरिक भाग तक फैल गईं। विश्लेषण से पता चला कि H13 स्टील एक कठोर होने योग्य स्टील है, जिसका अर्थ है कि वायु शीतलन के दौरान इसकी मार्टेन्सिटिक संरचना बनती है। फोर्जिंग के बाद वायु शीतलन प्रक्रिया के दौरान उत्पन्न व्यापक सूक्ष्म संरचनात्मक तनाव के कारण मॉड्यूल की सतह पर दरारें पड़ गईं।

दरारों को रोकने के लिए, H13 स्टील मॉड्यूल को फोर्जिंग के बाद भट्टी में धीमी गति से ठंडा किया गया, जिसके बाद स्फेरोइडाइजिंग एनीलिंग की गई। स्फेरोइडाइजिंग एनीलिंग के बाद, ब्रिनेल कठोरता परीक्षक का उपयोग करके मॉड्यूल की कठोरता मापी गई; तीन नमूनों का परीक्षण किया गया, जिनमें से प्रत्येक में आठ बिंदुओं पर कठोरता मापी गई (तालिका 1 देखें)। जैसा कि तालिका 1 में दिखाया गया है, कठोरता आम तौर पर आवश्यकताओं को पूरा करती है, लेकिन कठोरता में काफी भिन्नता के कारण एकरूपता असंतोषजनक थी, जिसमें कुछ बिंदुओं पर कठोरता निर्धारित सीमा (≤220 HB) से अधिक थी। मॉड्यूल के धातुकर्म विश्लेषण से सूक्ष्म संरचना का पता चला, जैसा कि चित्र 1 में दर्शाया गया है।

चित्र 1 समतापी स्फेरोइडाइजिंग एनीलिंग के बाद की सूक्ष्म संरचना को दर्शाता है। स्फेरोइडाइजिंग प्रक्रिया में 870°C पर 8 घंटे का उच्च तापमान चरण और 730°C पर 14 घंटे का निम्न तापमान चरण शामिल है। चित्र 1(a) में, कार्बाइड नेटवर्क का गंभीर पृथक्करण और कणों का महत्वपूर्ण मिश्रण स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। चित्र 1(b) में प्रचुर मात्रा में बिखरे हुए कार्बाइड कण दिखाई देते हैं, जो यह दर्शाते हैं कि स्फेरोइडाइजिंग प्रभाव इच्छित उद्देश्य को पूरा करता है; हालांकि, पृथक्करण अभी भी स्पष्ट है, कुछ कार्बाइड एक नेटवर्क जैसी संरचना बनाते हैं जो उन क्षेत्रों में स्फेरोइडाइजेशन की प्रभावशीलता को कम करता है। नेटवर्क वाले कार्बाइड मोल्ड स्टील के लिए गंभीर जोखिम पैदा करते हैं, क्योंकि वे उपयोग के दौरान दरारों के स्रोत के रूप में आसानी से काम करते हैं, जिससे सामग्री की विफलता हो सकती है। इसलिए, ऐसे कार्बाइड नेटवर्क को स्वीकार्य सीमाओं के भीतर नियंत्रित किया जाना चाहिए। इस अध्ययन में गंभीर कार्बाइड पृथक्करण प्रदर्शित करने वाले एच13 स्टील बैच को उच्च तापमान सामान्यीकरण के अधीन किया गया, जिसके बाद समतापी गोलाकार एनीलिंग की गई, ताकि इन परिस्थितियों में इसकी सूक्ष्म संरचना में सुधार का मूल्यांकन किया जा सके।

2 प्रायोगिक सामग्री और विधियाँ

स्पेक्ट्रल विश्लेषण के लिए गंभीर पृथक्करण प्रदर्शित करने वाले मॉड्यूल से छोटे नमूने लिए गए; उनकी रासायनिक संरचना तालिका 2 में दर्शाई गई है। इस H13 स्टील की रासायनिक संरचना मानक GB/T 1299–2000 "अलॉय टूल स्टील" के अनुरूप है। मॉड्यूल को तीन समूहों में विभाजित किया गया और उन्हें क्रमशः 5, 7 और 10 घंटे के लिए 970 डिग्री सेल्सियस पर उच्च तापमान सामान्यीकरण के अधीन किया गया। ऊष्मा उपचार प्रक्रिया में उच्च तापमान सामान्यीकरण (वायु-शीतित) के बाद समतापी गोलाकार एनीलिंग शामिल थी। समतापी गोलाकार एनीलिंग के पैरामीटर इस प्रकार थे: 8 घंटे के लिए 870 डिग्री सेल्सियस पर उच्च तापमान चरण और 14 घंटे के लिए 730 डिग्री सेल्सियस पर निम्न तापमान चरण। मॉड्यूल की सूक्ष्म संरचना पर उच्च तापमान सामान्यीकरण समय के प्रभाव के आधार पर, एक नई ऊष्मा उपचार प्रक्रिया विकसित की गई।

5 घंटे के उच्च तापमान पर सामान्यीकरण के बाद, पृथक्करण की मात्रा (चित्र 2(a) देखें) चित्र 1 की तुलना में काफी बेहतर हुई, हालांकि पृथक्करण अभी भी बना रहा। जब सामान्यीकरण की अवधि 7 घंटे तक बढ़ाई गई, तो पृथक्करण लगभग पूरी तरह से समाप्त हो गया; हालांकि, कार्बाइड नेटवर्क अपेक्षाकृत स्पष्ट बना रहा, जिसमें महीन द्वितीयक कार्बाइड नेटवर्क ऑस्टेनाइजेशन प्रक्रिया के दौरान मैट्रिक्स में पूरी तरह से घुल गए, जबकि मोटे कार्बाइड नेटवर्क अघुलनशील रहे—जो नॉर्थ अमेरिकन डाई कास्टिंग एसोसिएशन के मानकों के अनुसार गैर-अनुरूप श्रेणी में आते हैं। अवधि को 10 घंटे तक बढ़ाने से अधिकांश कार्बाइड नेटवर्क समाप्त हो गए, केवल प्रारंभिक मोटे कार्बाइड नेटवर्क ही बचे रहे। बाद में स्फेरोइडाइजिंग एनीलिंग के परिणामस्वरूप अधिक समान स्फेरोइडाइज्ड माइक्रोस्ट्रक्चर प्राप्त हुआ, जिससे सामग्री को नॉर्थ अमेरिकन डाई कास्टिंग एसोसिएशन के मानकों के तहत AS4 ग्रेड प्राप्त हुआ और स्वीकृति मानदंडों को पूरा किया। विश्लेषण से पता चलता है कि उच्च तापमान पर सामान्यीकरण पृथक्करण को प्रभावी ढंग से दूर करता है और कार्बाइड नेटवर्क की आकृति और वितरण में सुधार करता है। होल्डिंग टाइम बढ़ने के साथ-साथ, कार्बाइड के कण धीरे-धीरे घुलते जाते हैं, जिससे अलगाव और कार्बाइड नेटवर्क का क्रमिक रूप से उन्मूलन होता है, और इस प्रकार सामग्री की सूक्ष्म संरचना में उल्लेखनीय सुधार होता है।

फोर्जिंग के बाद, H13 स्टील में अत्यधिक उच्च अंतिम फोर्जिंग तापमान और धीमी शीतलन दर के कारण मोटे दाने बनने की संभावना होती है। एक हाइपरयूटेक्टॉइड स्टील होने के नाते, H13 धीमी शीतलन के दौरान नेटवर्क जैसी द्वितीयक कार्बाइड अवक्षेपण प्रदर्शित करता है, और इसकी उच्च मिश्रधातु सामग्री अनिवार्य रूप से सामग्री पृथक्करण की ओर ले जाती है। H13 स्टील मॉड्यूल की फोर्जिंग के बाद की सूक्ष्म संरचना में सुधार करने के लिए, एकसमान सूक्ष्म संरचना प्राप्त करने हेतु उच्च तापमान मानकीकरण उपचार की अनुशंसा की जाती है।

जालीदार कार्बाइडों को हटाने के लिए, वर्कपीस को इतने तापमान तक गर्म करना आवश्यक है जिससे द्वितीयक कार्बाइड घुल जाएं। हालांकि, स्फेरोइडाइजिंग एनीलिंग तापमान (870 °C) इस विघटन के लिए अपर्याप्त है। परिणामस्वरूप, उच्च तापमान पर नॉर्मलाइजिंग के बिना, कार्बाइड नेटवर्क को हटाना कठिन बना रहता है और पृथक्करण में सुधार नहीं हो पाता, जिससे H13 मॉड्यूल मानकों को पूरा करने में विफल रहता है। उच्च तापमान पर नॉर्मलाइजिंग के बाद, महीन कार्बाइड कण मैट्रिक्स में पूरी तरह घुल जाते हैं, कार्बाइड नेटवर्क धीरे-धीरे तब तक परिष्कृत होता है जब तक कि वह टूट न जाए, और सूक्ष्म संरचना अधिक एकसमान हो जाती है। नॉर्मलाइजिंग होल्डिंग अवधि के बाद, तीव्र वायु शीतलन जालीदार द्वितीयक कार्बाइडों के निर्माण को रोकता है। इसके बाद, स्फेरोइडाइजिंग एनीलिंग मैट्रिक्स से समान रूप से बिखरे हुए कार्बाइडों को गोलाकार संरचनाओं में विकसित होने में मदद करता है, जिससे एनील्ड सूक्ष्म संरचना में सुधार होता है।

संक्षेप में, फोर्जिंग के बाद धीमी शीतलन से मोटे सूक्ष्म संरचना और नेटवर्कयुक्त कार्बाइड का निर्माण होता है, जबकि उच्च तापमान पर सामान्यीकरण से नेटवर्कयुक्त कार्बाइड और सामग्री पृथक्करण दोनों में सुधार होता है। इसलिए, एनीलिंग सूक्ष्म संरचना को दो तरीकों से अनुकूलित किया जा सकता है: फोर्जिंग के बाद उचित तीव्र शीतलन, उसके बाद उच्च तापमान पर सामान्यीकरण और अंत में स्फेरोइडाइजिंग एनीलिंग। इन उदाहरणों के विश्लेषण के आधार पर, इष्टतम प्रक्रिया को चित्र 3 में दर्शाया गया है। फोर्जिंग के बाद, सामग्री को वायु-शीतित किया जाता है और मार्टेन्सिटिक रूपांतरण को रोकने के लिए कुछ समय के लिए Ms बिंदु से ऊपर रखा जाता है, उसके बाद उच्च तापमान पर सामान्यीकरण और समतापी स्फेरोइडाइजिंग एनीलिंग की जाती है। चित्र 4 इस नई प्रक्रिया के तहत प्राप्त सूक्ष्म संरचना को दर्शाता है, जो 95% से अधिक स्फेरोइडाइजेशन दर और लगभग ग्रेड 7 के कण आकार के साथ अत्यधिक महत्वपूर्ण स्फेरोइडाइजेशन को प्रदर्शित करता है। नॉर्थ अमेरिकन डाई कास्टिंग एसोसिएशन मानकों के अनुसार AS1 के रूप में वर्गीकृत, इस उत्पाद को ग्राहकों से सकारात्मक प्रतिक्रिया मिली है।

4 निष्कर्ष

1) H13 स्टील की ढलाई के बाद धीमी शीतलन प्रक्रिया से कार्बाइड का जालनुमा अवक्षेपण होता है। शीतलन की दर जितनी धीमी होगी, कार्बाइड का जाल उतना ही अधिक स्पष्ट होगा। यद्यपि बाद में सामान्यीकरण करने से इसमें सुधार हो सकता है, फिर भी मैट्रिक्स में कुछ असामान्य सूक्ष्म संरचनाएं बनी रहती हैं जिन्हें दूर करना कठिन होता है। इसके अतिरिक्त, धीमी शीतलन प्रक्रिया के परिणामस्वरूप असामान्य रूप से बड़े कण आकार बनते हैं, जो वंशानुगत होते हैं और बाद में उन्हें परिष्कृत करना चुनौतीपूर्ण होता है।

2) उच्च तापमान पर नॉर्मलाइज़िंग करने से H13 स्टील की फोर्जिंग के बाद की सूक्ष्म संरचना में मौजूद पृथक्करण और नेटवर्कयुक्त कार्बाइड में सुधार होता है। एक निश्चित समय सीमा के भीतर, नॉर्मलाइज़िंग की अवधि बढ़ने के साथ सूक्ष्म संरचना में सुधार अधिक स्पष्ट हो जाता है।

3) फोर्जिंग के बाद, H13 स्टील को Ms तापमान से ऊपर हवा से ठंडा किया जाता है और फिर उच्च तापमान सामान्यीकरण के अधीन किया जाता है, जिसके परिणामस्वरूप बेहतर गोलाकार प्रभाव के साथ अधिक समान और बिखरी हुई गोलाकार संरचना प्राप्त होती है।